管狀金屬構(gòu)件裂紋電磁聲發(fā)射激發(fā)特性試驗(yàn)研究

唐力偉，張曉濤，王 平

（軍械工程學(xué)院 火炮工程系石家莊 050003）

火炮身管通常工作在重載、高溫、高壓的環(huán)境下，不可避免要產(chǎn)生裂紋缺陷，傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測用于身管裂紋檢測存在加載困難的問題，聲發(fā)射檢測方法是一種動(dòng)態(tài)檢測方法，檢測時(shí)要求身管處于工作受載情況下［1－2］，實(shí)際中為了火炮身管的安全工作，身管在非工作狀態(tài)下的檢測更具有實(shí)際意義。

電磁聲發(fā)射技術(shù)是一種新型的無損檢測方法，美國物理聲學(xué)公司的工程師發(fā)現(xiàn)，金屬材料在通過瞬間脈沖大電流時(shí)，缺陷部位會(huì)出現(xiàn)電流集中效應(yīng)，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生洛倫茲力的作用，能夠在非鐵磁質(zhì)材料鋁板上激發(fā)出聲發(fā)射現(xiàn)象［3－4］。電磁聲發(fā)射技術(shù)為身管在非工作狀態(tài)下的裂紋檢測提供了基礎(chǔ)。論文以身管裂紋檢測為最終目的，在鐵磁質(zhì)無縫鋼管上進(jìn)行了電磁聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)電磁激發(fā)聲發(fā)射的特性進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。

1 電磁聲發(fā)射原理

金屬材料通過脈沖大電流時(shí)，材料中的裂紋等缺陷會(huì)導(dǎo)致電流重新分配，并在缺陷尖端處出現(xiàn)電流集中，導(dǎo)致電流密度增大［3，5－6］。帶電導(dǎo)體的周圍會(huì)感應(yīng)出磁場，特別是在裂紋尖端處電流的方向幾乎相反，會(huì)導(dǎo)致該處的磁場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，由于電磁場的互相作用，會(huì)在裂紋尖端區(qū)域感應(yīng)出很強(qiáng)的洛倫茲力，該過程中如圖1所示，洛倫茲力具有擴(kuò)張裂紋的趨勢，當(dāng)洛倫茲力足夠大時(shí)，裂紋發(fā)生擴(kuò)張釋放應(yīng)力，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象［5－7］。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)測試設(shè)備包括聲發(fā)射采集儀一臺(tái)，采樣頻率3 MHz，16位AD，聲華R15型聲發(fā)射傳感器，配備40 dB前置放大器，脈沖電流測量模塊。被測試件為多根無縫鋼管，外徑27 mm，壁厚3 mm，通過切割后彎曲加工裂紋，裂紋位置如圖2中所示，彎曲裂紋的深度約4 mm，寬度約1 mm，方向沿管壁圓周方向分布。脈沖電流產(chǎn)生電路主要包括450 V大容量電容（容量包括：2 200μF和3 300μF），加載電極夾具，導(dǎo)線，繼電器，充電電源，限流電阻，續(xù)流二極管等。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖1 電磁聲發(fā)射原理Fig．1The principle of electromagnetic acoustic emission

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Experiment system architecture

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中，利用電容放電裝置，通過兩個(gè)加載電極，與試件形成放電回路，通過控制電容充電電壓，實(shí)現(xiàn)不同大小的脈沖電流放電，通過更改變電容容量實(shí)現(xiàn)放電持續(xù)時(shí)間的改變。聲發(fā)射傳感器通過耦合劑緊固在鋼管表面，脈沖電流測量模塊安裝在回路導(dǎo)線上，通過聲發(fā)射采集儀將裂紋激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)采集記錄在計(jì)算機(jī)中，通過示波器將電容放電電壓和脈沖電流測量結(jié)果記錄在示波器中，試驗(yàn)中采樣頻率為3 MHz，閾值電平為100 mV，試驗(yàn)環(huán)境為半消聲室。

3.1 脈沖電流與聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系

試驗(yàn)中加載電壓從20 V開始逐步增高，每次增高5 V，最終到達(dá)150 V，共27組。為了研究加載電流幅值與鋼管裂紋電磁聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系，對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)的三個(gè)特征：信號(hào)幅值，振鈴計(jì)數(shù)，信號(hào)能量進(jìn)行分析［8］。

幅值：信號(hào)波形的最大振幅；振鈴計(jì)數(shù)：信號(hào)超過閾值電平的振蕩波個(gè)數(shù)；能量：聲發(fā)射線號(hào)檢測包絡(luò)下的面積；三個(gè)特征的具體含義如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后特征值與電流幅值關(guān)系如圖4所示。

圖3 聲發(fā)射波形特征參數(shù)Fig．3 Acoustic emission signal characteristics

圖4 電流峰值與聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)關(guān)系曲線Fig．4 The curve of relation between acoustic emission signal characteristics and peak of excitation current

從圖4中可看出，放電峰值電流較低時(shí)，所采集到的信號(hào)特征參數(shù)非常小，隨著峰值電流的增大，信號(hào)特征逐步增大，變的易于識(shí)別。圖中信號(hào)的能量和振鈴計(jì)數(shù)逐步增大，趨勢穩(wěn)定，波動(dòng)較小，信號(hào)幅值曲線整體趨勢雖然也是逐步增大，但是波動(dòng)較大，這是因?yàn)樾盘?hào)幅值容易受到各種噪聲帶來的尖銳脈沖峰值影響，導(dǎo)致幅值曲線變化波動(dòng)大，而振鈴計(jì)數(shù)和能量均是在一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特征，因此抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

振鈴計(jì)數(shù)反映聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度和頻度，廣泛用于聲發(fā)射的活動(dòng)性評(píng)價(jià)。一般來講，信號(hào)幅值超過閾值，振鈴計(jì)數(shù)大于10，則聲發(fā)射現(xiàn)象易于識(shí)別，便于裂紋損傷的檢測，當(dāng)振鈴計(jì)數(shù)超過100時(shí)，則發(fā)生較強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)信號(hào)幅值小于閾值或者振鈴計(jì)數(shù)小于10時(shí)，則信號(hào)微弱，難以界定是噪聲還是非常微弱的聲發(fā)射現(xiàn)象，不能進(jìn)行裂紋缺陷的檢測，依此將加載過程分為三個(gè)區(qū)域，無聲發(fā)射區(qū)域（振鈴技術(shù)＜10），弱聲發(fā)射區(qū)域（10＜振鈴計(jì)數(shù) ＜100），強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域（100＜振鈴計(jì)數(shù)）。

圖中無聲發(fā)射區(qū)域和弱聲發(fā)射區(qū)域的分界點(diǎn)加載電流為928．4 A，自該點(diǎn)之后聲發(fā)射信號(hào)的特征才比較明顯，說明當(dāng)加載電流大于928．4 A時(shí)，試件中裂紋缺陷才出現(xiàn)易于檢測的聲發(fā)射信號(hào)。弱聲發(fā)射區(qū)域和強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域的分界點(diǎn)電流為1 392．6 A，自該點(diǎn)之后，聲發(fā)射信號(hào)三個(gè)特征進(jìn)一步增大，從而利于在更強(qiáng)的噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)裂紋缺陷的檢測。

文獻(xiàn)［9］中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬材料的聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍在100－550 kHz之間，這個(gè)頻率范圍包含了聲發(fā)射物理過程的主要信號(hào)成分及能量集中［9－11］。弱聲發(fā)射區(qū)域和強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域部分峰值電流下采集信號(hào)及其功率譜如圖5所示。從圖中功率譜可以看出弱聲發(fā)射區(qū)域和強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域的信號(hào)主要成分處于100－200 kHz，符合金屬聲發(fā)射信號(hào)的頻帶范圍，說明這兩個(gè)階段試件中脈沖電流激發(fā)出了可識(shí)別的裂紋聲發(fā)射信號(hào)。

圖5 部分峰值電流下的信號(hào)及其功率譜Fig．5 Acoustic emission signal and power spectrum with different peak of excitation current

3.2 電極位置與聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系

在激發(fā)電流能夠滿足聲發(fā)射激發(fā)的前提下，對(duì)電極距離不同的情況進(jìn)行研究，正負(fù)兩個(gè)電極對(duì)稱分布在裂紋兩側(cè)，電極距離從10 cm到60 cm共6組，試驗(yàn)中峰值電流控制在1 650 A左右，信號(hào)特征的評(píng)價(jià)依然采用幅值，振鈴計(jì)數(shù)與能量，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同電極距離下信號(hào)特征（1 650 A）Tab．1 Signal characteristics with different position of electrode

從表中可以看出，電極加載位置對(duì)鋼管裂紋電磁聲發(fā)射現(xiàn)象的激發(fā)影響不是很大，三個(gè)特征量隨著加載距離的增大都有所減小，但是減小的幅度并不是很大，沒有影響到聲發(fā)射信號(hào)判斷，按照前面對(duì)加載過程的劃分，表中數(shù)據(jù)一直處于強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域。隨著電極距離的變化，回路電阻會(huì)發(fā)生變化，實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，回路總電阻約30 mΩ，電極距離10 cm和60 cm的情況，回路電阻增量小于5 mΩ，因此回路電阻的影響是非常小的，但是表中信號(hào)特征量隨著電極距離的增大具有一定程度的衰減，主要是因?yàn)檫B續(xù)加載，導(dǎo)致試件上的裂紋應(yīng)力逐漸釋放，即聲發(fā)射現(xiàn)象中重復(fù)加載的影響，該問題將在3．4中詳細(xì)說明。

3．3 放電持續(xù)時(shí)間與聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系

金屬裂紋脈電磁聲發(fā)射激發(fā)過程是一RLC電路響應(yīng)，由于回路中試件導(dǎo)線等已經(jīng)確定，通過改變電容容量實(shí)現(xiàn)放電時(shí)間的改變，放電電容容量分別為3 300μF和2 200μF，實(shí)驗(yàn)中針對(duì)同一試件，在放電電壓從60 V到110 V的6種情況下進(jìn)行，按照從低電壓到高電壓的順序進(jìn)行，每種電壓下先進(jìn)行2 200μF電容的激發(fā)，后進(jìn)行3 300μF電容的激發(fā)，兩種情況下的放電時(shí)間長度分別為120μs和160μs，放電電壓曲線如圖6所示。試驗(yàn)中聲發(fā)射信號(hào)的三個(gè)特征變化如表2所示。

圖6 放電時(shí)間曲線圖（60 V）Fig．6 The curve of duration of pulse current

表2 不同放電時(shí)間下的聲發(fā)射特征參數(shù)Tab．2 Signal characteristics with different duration of pulse current

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在不同峰值電流的情況下，兩種放電時(shí)間長度對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)幅值幾乎沒有太大變化，但是放電時(shí)間長對(duì)應(yīng)的信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)和能量會(huì)大一點(diǎn)，主要原因是信號(hào)幅值與峰值電流引起的洛倫茲力大小有關(guān)，在峰值電流沒有提高的情況下，信號(hào)幅值不會(huì)有太大改變，但增大放電時(shí)間，會(huì)相應(yīng)增大放電的總能量，促使聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間增長，帶來信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)和能量的增大。

3．4 聲發(fā)射現(xiàn)象的重復(fù)加載性能

金屬材料聲發(fā)射現(xiàn)象的kasier效應(yīng)是指重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷之前不發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象；Felicity效應(yīng)又稱反Kasier效應(yīng)，即對(duì)于重復(fù)加載的構(gòu)件材料，重復(fù)載荷達(dá)到原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象。Kasier效應(yīng)表現(xiàn)為聲發(fā)射激發(fā)現(xiàn)象的不可逆性，而Felicity效應(yīng)正好與Kasier效應(yīng)相反，對(duì)于鋼管裂紋的電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，我們利用對(duì)同一試件進(jìn)行多次重復(fù)加載，試驗(yàn)中放電電壓50 V，峰值電流1 160．5 A左右。重復(fù)加載的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 重復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)（1 160．5 A）Tab．3 Experiment data of repeatedly applied pulse current

從表中數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)特征的變化規(guī)律呈下降趨勢，但是第四次重復(fù)加載時(shí)的數(shù)據(jù)相比于第三次出現(xiàn)了增大。實(shí)際試驗(yàn)中Kasier效應(yīng)表現(xiàn)為信號(hào)特征的下降趨勢，同一載荷重復(fù)加載能夠產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象則體現(xiàn)了Felicity效應(yīng)。這是因?yàn)槊看渭虞d后，缺陷處裂紋的應(yīng)力得到釋放，但是舊裂紋發(fā)生變化，甚至伴隨有新的微裂紋出現(xiàn)，從而導(dǎo)致缺陷處于新的應(yīng)力不均衡，當(dāng)重復(fù)加載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，由于經(jīng)過了前一次的應(yīng)力釋放，后續(xù)的聲發(fā)射現(xiàn)象會(huì)變的微弱一些，但舊裂紋的變化并不能保證聲發(fā)射現(xiàn)象會(huì)一直變?nèi)?，也有可能?huì)導(dǎo)致裂紋處應(yīng)力不均衡比加載前更嚴(yán)重，如表中的第四次比第三次的信號(hào)特征要大，正是這一可能性的反映。

4 結(jié) 論

（1）電磁激發(fā)聲發(fā)射時(shí)，當(dāng)峰值電流小于928．4 A時(shí)，聲發(fā)射現(xiàn)象非常微弱或者不產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。當(dāng)峰值電流超過928．4A時(shí)，則可產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，信號(hào)主要頻率成分150 kHz，符合金屬材料的聲發(fā)射信號(hào)特征。

（2）隨著加載電壓的增大，聲發(fā)射信號(hào)的三個(gè)特征參數(shù)逐步增大，且能量和振鈴計(jì)數(shù)特征比幅值特征的抗干擾能力強(qiáng)，說明具有統(tǒng)計(jì)意義的特征更適于聲發(fā)射信號(hào)的表征和識(shí)別。

（3）聲發(fā)射信號(hào)的激發(fā)主要與加載電流的峰值大小有關(guān)，電極加載位置通過改變回路電阻帶來峰值電流的微弱變化，僅會(huì)造成聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的微小變化。放電時(shí)間長度會(huì)增大信號(hào)持續(xù)時(shí)間，使得振鈴計(jì)數(shù)和能量增大，但不改變峰值電流，幅值特征幾乎不變。

（4）電磁聲發(fā)射重復(fù)加載的性能表明，重復(fù)加載會(huì)帶來裂紋聲發(fā)射信號(hào)特征減小，但是衰減幅度有限，使得裂紋電磁聲發(fā)射重復(fù)檢測成為可能。

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